¿Cuál es la diferencia entre un qubit y un estado cuántico?

En general, un qubit se representa matemáticamente como un estado cuántico de la forma , utilizando la base . Me parece que un qubit es solo un término utilizado en computación cuántica e información para denotar un estado cuántico (es decir, un vector) de un sistema.{ | 0 ⟩ , | 1 ⟩ $\lvert \psi\rangle = \alpha \lvert 0\rangle + \beta \lvert 1\rangle$$\{ \lvert 0\rangle, \lvert 1\rangle \}$

¿Hay alguna diferencia fundamental entre un qubit y un estado cuántico? ¿Qué hay más en un qubit que el estado cuántico que representa?

Hay algunas cosas para distinguir aquí, que a menudo se combinan por expertos porque estamos usando estos términos de manera rápida e informal para transmitir intuiciones en lugar de la forma que sería más transparente para los principiantes.

1. Un "qubit" puede referirse a un sistema pequeño, que tiene un estado mecánico cuántico.

   Los estados de un sistema mecánico cuántico forman un espacio vectorial. La mayoría de estos estados solo se pueden distinguir entre sí de manera imperfecta, ya que existe la posibilidad de confundir un estado con el otro, sin importar cuán hábilmente intente distinguirlos. Entonces se puede hacer la pregunta, de un conjunto de estados, si todos son perfectamente distinguibles entre sí.

   Un "qubit" es un ejemplo de un sistema de mecánica cuántica, para el cual el mayor número de estados perfectamente distinguibles es dos. (Hay muchos conjuntos diferentes de estados perfectamente distinguibles, pero cada conjunto contiene solo dos elementos). Estos pueden ser

   • la polarización de un fotón ( versus , o versus );| V ⟩ | ↺ ⟩ | ↻ $\lvert \mathrm H \rangle$$\lvert \mathrm V \rangle$$\lvert \circlearrowleft \rangle$$\lvert \circlearrowright \rangle$

   • o el giro de un electrón ( versus , o versus );| ↓ ⟩ | → ⟩ | ← $\lvert \uparrow \rangle$$\lvert \downarrow \rangle$$\lvert \rightarrow \rangle$$\lvert \leftarrow \rangle$

   • o dos niveles de energía y de un electrón en un ion, que puede ocupar muchos niveles de energía diferentes pero que se controla de tal manera que el electrón se mantenga dentro del subespacio definido por estos niveles de energía cuando no se está actuando sobre eso.| E 2$\lvert E_1 \rangle$$\lvert E_2 \rangle$
     
     

   Común a estos sistemas es que uno puede describir sus estados en términos de dos estados, que podríamos etiquetar como y , y considerar los otros estados del sistema (que son vectores en el espacio vectorial abarcado por y ) usando combinaciones lineales que toman la forma , donde .| 1 ⟩ | 0 ⟩ | 1 ⟩ alfa | 0 ⟩ + ß | 1 ⟩ | α | 2 + | β | 2 = $\lvert 0 \rangle$$\lvert 1 \rangle$$\lvert 0 \rangle$$\lvert 1 \rangle$$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$$\lvert \alpha \rvert^2 + \lvert \beta \rvert^2 = 1$

2. Un "qubit" también puede referirse al estado mecánico cuántico de un sistema físico del tipo que hemos descrito anteriormente. Es decir, podemos llamar a algún estado de la forma "un qubit". En este caso no estamos considerando qué sistema físico está almacenando ese estado; solo nos interesa la forma del estado.$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$

3. "Un qubit" también puede referirse a una cantidad de información que es equivalente a un estado como . Por ejemplo, si conocemos dos estados y de algún sistema cuántico complicado, y tenemos algún sistema físico cuyo estado está en alguna superposición , entonces no importa lo complicado que sea el sistema o si alguno de los estados tiene algún enredo: la cantidad de información expresada por los posibles valores de$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$$\lvert \psi_0 \rangle$$\lvert \psi_1 \rangle$$\lvert \Psi \rangle$$\alpha \lvert \psi_0 \rangle + \beta \lvert \psi_1 \rangle$$\lvert \psi_j \rangle$$\lvert \Psi \rangle$es un qubit, porque con un procedimiento silencioso lo suficientemente inteligente, podría codificar reversiblemente ese complicado estado cuántico en el estado de un qubit (sistema físico). De manera similar, puede tener un sistema cuántico muy grande que codifique qubits de información, si pudiera codificar reversiblemente el estado de ese sistema complicado como el estado de qubits.$n$$n$

Esto puede parecer confuso, pero no es diferente de lo que hacemos todo el tiempo con la computación clásica.

• Si en un lenguaje tipo C que escribo int x = 5;, probablemente entienda que xes un entero (una variable entera que es), que almacena un entero 5(un valor entero ).

• Si luego escribo x = 7;, no quiero decir que xsea ​​un número entero que sea igual a ambos 5y 7, sino que xsea ​​un tipo de contenedor y que lo que estamos haciendo esté cambiando lo que contiene.

Y así sucesivamente: estas formas en que usamos el término 'qubit' son exactamente iguales a cómo usamos el término 'bit', solo sucede que usamos el término para estados cuánticos en lugar de para valores, y para pequeños valores físicos sistemas en lugar de variables o registros. (O más bien: los estados cuánticos son los valores en el cálculo cuántico, y los sistemas físicos pequeños son las variables / registros).